电转燃气：技术和商业模式

近年来，欧洲受到能源政策驱动，可再生能源在能源体系中的发展得到增强，社会正在大力增加可再生能源的投资和建设。这种趋势不仅出现在欧洲市场中，它在很多地区都已经成为基本的发展趋势。能源政策主要是基于气候变化政策的目标和要求，而具体参数则是关于增加可再生能源比例的需求，比如降低对进口能源的依赖程度，以及提升国内能源价值和价格的稳定性等。在某种程度上，基于可再生能源的建设可以在能源体系中实现相对较高的增速，这样的实例应用在德国和中国。

增加可再生能源比例大多数情况下伴随着产量增长，这种比例变化同时存在着优势、挑战和问题。考虑到这一点，本书将专注于可再生能源在能源生产中动态比例持续增加所带来的挑战。

可再生能源正在被推动进入能源系统的各个领域：涉及燃料的交通运输领域、供暖领域（同时作为空间供暖和过程加热的能源）和电力领域。在上述三个领域中，本书主要关注电力生产领域方面的挑战。因而供暖和交通运输领域在本书中不认为和针对不稳定生产的储能系统的必要性相关联（当然，这两个领域在电转燃气工程生产能源的下游是需要被考虑的，详见本书第2章和第5章）。因此，本书只关注可再生能源导致的不稳定能源生产相关的挑战。

基于不同的能源政策路线图，各个地区电力生产中可再生能源动态比例持续增长的状况各异。在可再生能源的电力生产中，水力发电、生物质发电与风力发电、光伏发电相比，生产过程中的动态波动性更小。因此，在电力生产系统中大幅增加风力和太阳能发电比例的地区正在或者即将面临高比例的不稳定生产。在欧盟，归因于国家路线计划，德国受到的这种影响为明显。其他国家比如丹麦、英国和西班牙都因风力发电的发展出现类似的状况。西班牙和意大利也面临集成太阳能发电不稳定的问题。由于气候原因，风力发电和太阳能发电不可能达到稳定生产。因此，能源系统需要平衡生产过程中的强波动性。在目前或未来几年，能源生产的时空波动问题仅限于特殊地区，且偶尔发生。但为了较高可再生能源比例的能源系统调整方案（见图1.1），并非为了今天而是着眼于未来。其时间框架主要取决于可再生能源的建设进程，而在2020年前，对能源存储并不会有特别高的要求。 

本书旨在对可再生能源的化学存储方法之一——电转燃气技术作一个简洁而全面的介绍。电转燃气技术的灵活度极高，可以提供多方面可能的应用。本书试图描述其当前状态,实际的研究和发展活动，以及未来的挑战。书中还涉及电转燃气系统的商业模式讨论，这不仅需要商业分析而且需要全面的宏观经济和系统性分析。全书主要内容包括现有可再生能源的储存技术，电转燃气的概念，水电解，甲烷化，以及电转燃气的商业模型。

本书作者Markus Lehner是奥地利莱奥本矿业大学（Montanuniversit？t Leoben）教授，研究方向是机械、环境以及化学工程。莱奥本矿业大学（德语：Montanuniversit？t Leoben）是一所建于1840年的奥地利公立大学。

第1章可再生能源的存储技术概述/1

第2章电转燃气概述/7

2.1电转燃气过程链的效率/9

2.2工厂大小和协同潜力/11

2.3相似技术/13

2.4天然气管网的集成/14

第3章水电解/20

3.1简介/20

3.2历史背景/21

3.3水电解的热力学/22

3.4电解器效率/24

3.5碱性电解器/25

3.6聚合物电解质膜电解/30

3.7固体氧化物电解质电解/35

3.8结论/38

第4章甲烷化/44

4.1甲烷化工艺的前沿进展/44

4.2电转燃气中的甲烷化/54

第5章商业模式/69

5.1宏观经济和系统影响/70

5.2电转燃气过程链/80

5.3电转燃气系统的商业模式/85

5.4法律层面/94

本书旨在对可再生能源的化学存储方法之一——电转燃气技术作一个简洁而全面的介绍。电转燃气技术的灵活度极高，可以提供多方面可能的应用。本书试图描述其当前状态,实际的研究和发展活动，以及未来的挑战。书中还涉及电转燃气系统的商业模式讨论，这不仅需要商业分析而且需要全面的宏观经济和系统性分析。全书主要内容包括现有可再生能源的储存技术，电转燃气的概念，水电解，甲烷化，以及电转燃气的商业模型。

本书作者Markus Lehner是奥地利莱奥本矿业大学（Montanuniversit？t Leoben）教授，研究方向是机械、环境以及化学工程。莱奥本矿业大学（德语：Montanuniversit？t Leoben）是一所建于1840年的奥地利公立大学。

能源供给结构的改变主要受迫在眉睫的气候变化所驱动。此外，工业体制上的典范转移或战略思考，以及必要的电源供应也会对此产生影响。与现在的能源结构相比，未来的能源供给会极大地提高可再生能源的比例。毋庸置疑，可再生能源（特别是风能和太阳能）比例的增加已经造成了电网供需的地方差异。

应对能源系统变化挑战的方法有若干种。目前来说，满足可再生能源要求的方法有扩张电网、负载管理和能源储存设施。根据未来的可再生能源比率，大部分甚至所有这些措施都必须得以完善。而在存储系统方面，需要实现季节性存储的可能。一种颇具前景的长期储存方法是将可再生电能转化为化学储能媒介，比如氢气、甲烷、甲醇、甲酸、燃料或氢化芳烃。

本书旨在对可再生能源的化学存储方法之一——电转燃气技术作一个简洁而全面的介绍。许多研究团队正在从各个方面对这一概念进行探讨，近示范规模的电转燃气工厂也正在启动或建设中。因此，在目前条件下还无法对该技术做一个结论性的概述。此外，由于电转燃气技术的灵活度极高，可以提供多方面的应用，所以我们只能在不保证完全的前提下尽可能地介绍前沿的实际研究、发展进程以及其所面临的挑战。本书的第二部分论述了电转燃气系统经济维度的商业模式，这不仅需要进行商业分析，而且需要在宏观经济层面上进行全面的系统性分析。

目前来说，电转燃气技术在经济上是不可行的，除此之外，它在技术性和系统性上也仍然需要进一步发展完善。但是，作者认为，可再生能源的长期储存将会是未来能源系统的关键性支撑。我们应当现在就发展这项技术，这样才能满足人们未来的需求。

感谢Dipl.Ing. Aaron Felder, Dipl.Ing. Phillip Biegger, Prof. Dr. Josef Draxler, Lukas Rebhandl,以及Fabian Frank对原稿的审校，感谢 Mark Read 和Jed Cohen将本书翻译为易懂的英文。

Markus Lehner 
Robert Tichler 
Markus Koppe  

应对能源系统变化挑战的方法有若干种，本书给出了一种颇具前景的能源长期储存方法。